Vật lý nghiên cứu chuyên sâu

Vật lý sinh học

Vật lý sinh học dùng định luật vật lý và mô hình định lượng để khảo sát cấu trúc, động lực và chức năng của hệ sống qua nhiều thang.

Cầu nối giữa vật lý và sinh học không chỉ là áp dụng công thức có sẵn: hệ sống mở, nhiễu nhiệt, tương tác nhiều thành phần và thường xa cân bằng. Chọn biến trạng thái, thang đo và phép đo phù hợp là một phần của lời giải, cũng như xác định khi nào mô hình giản lược thất bại.

Từ hạt đơn tới tập hợp

Theo dõi một phân tử duy nhất cho biết quỹ đạo nhiễu, còn đại lượng tập hợp như ⟨Δr²⟩ mới ổn định theo D. Ở môi trường sinh học, đo nhiều phân tử, hiệu chỉnh độ phân giải thời gian/không gian và so sánh phân bố dịch chuyển có thể phân biệt khuếch tán thường với khuếch tán bất thường hoặc vận chuyển chủ động.

Ở cân bằng nhiệt, chuyển động Brown có thể mô tả bằng phương trình Langevin $\gamma\dot{x}=F+\xi(t)$, trong đó lực ngẫu nhiên có tương quan gắn với hệ số ma sát theo quan hệ dao động–tiêu tán. Tế bào sống thường tiêu thụ ATP và vận hành xa cân bằng, nên vi ống, motor phân tử và màng có thể tạo dòng chuyển động có hướng thay vì khuếch tán thụ động. Để phân biệt các cơ chế, nhà nghiên cứu so sánh phân bố dịch chuyển, tương quan thời gian và đáp ứng khi thay đổi tải hoặc chất ức chế. Mô hình cần giữ đúng thang đo: hạt đánh dấu, phân tử đích và cấu trúc tế bào không nhất thiết cùng chuyển động; suy luận nhân quả cần kết hợp đo lường với can thiệp.

Phân tích cần phân biệt biến động nhiệt ngẫu nhiên với dao động chủ động do tiêu thụ năng lượng. Ở cân bằng, định lý dao động–đáp ứng liên hệ cường độ nhiễu với đáp ứng tuyến tính; nếu hệ sống vi phạm quan hệ này, đó có thể là dấu hiệu hoạt động nhưng cũng cần loại trừ sai số đo hoặc không đồng nhất. Theo dõi ở nhiều độ trễ và điều khiển nhiệt độ, tải giúp kiểm tra diễn giải.

Kiểm tra nhanh